淺談水工混凝土的腐蝕

曹 靜 雷春娟

1 概述

水工建筑物投資大,結(jié)構(gòu)重要性高,使用年限長(zhǎng),根據(jù)我國(guó)水利經(jīng)濟(jì)規(guī)范(SD-139-85)規(guī)定,鋼筋混凝土及混凝土水工建筑物的使用期,大型為80年,小型為50年。許多新建工程如跨海大橋、核電工程等更將耐久性目標(biāo)定在75年～120年。如在預(yù)定的使用期限內(nèi)出現(xiàn)耐久性失效,不僅影響建筑的正常工作,還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。許多過早出現(xiàn)破損現(xiàn)象的工程為了延長(zhǎng)使用年限而投入的檢修、加固和改建的費(fèi)用,有時(shí)竟超過原投資數(shù)倍。我國(guó)目前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程規(guī)模宏大,每年高達(dá)2萬億元以上。約30年～50年后,這些工程也將進(jìn)入維修期,所需的維修費(fèi)用和重建費(fèi)用將更為巨大。且水工建筑物長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中工作,易受到環(huán)境水及空氣中腐蝕物的影響。其中混凝土腐蝕是影響大壩混凝土耐久性的一個(gè)重要原因。

2 腐蝕類型

2.1 混凝土碳化腐蝕

空氣中包括的CO2不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細(xì)孔擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部充水的毛細(xì)孔中,與其中的空隙液所溶解的Ca(OH)2產(chǎn)生中和反應(yīng),生成的鈣鹽,稱為碳化。

碳化降低混凝土孔隙中的pH值,破壞鋼筋表面的鈍化膜,而使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。如福建東溪水庫(kù)運(yùn)行20年后,大壩混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,達(dá)到35 mm～60 mm。實(shí)際工程中采用鑿除碳化表面,再用NBS乳液配制的丙乳砂漿抹面處理,隔絕空氣中CO2的滲入,取得了很好的效果。

2.2 堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)是混凝土中所含的堿(Na2O或K2O)與骨料的活性成分反應(yīng),在混凝土澆筑成型后數(shù)年至數(shù)十年逐漸反應(yīng),反應(yīng)生成物吸水膨脹,導(dǎo)致混凝土工程開裂,稱為堿骨料反應(yīng)損壞。

堿骨料反應(yīng)主要分為三類:堿—硅反應(yīng)、堿—硅酸鹽反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)。其中,具有活性氧化硅的骨料(主要有蛋白石、玉髓、磷石英、微晶石英等)在與水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)時(shí),產(chǎn)生凝膠的同時(shí)體積可膨脹3倍左右。

由于天然集料資源貧乏或受到開采條件的限制,某些工程會(huì)采用活性氧化硅成分較高的石料,又如果使用堿總含量大于0.6%的水泥,則活性集料與水泥中的堿物質(zhì)反應(yīng)時(shí)將發(fā)生體積膨脹,導(dǎo)致混凝土脹裂,甚至破壞。因反應(yīng)的因素在混凝土內(nèi)部,其危害作用往往是不能根治的,是混凝土工程的一大隱患。如吉林豐滿水庫(kù)修建時(shí)所用的水泥含堿量達(dá)到0.9%～1.57%,但活性骨料引起的膨脹率很小,目前只是在壩前水位變化區(qū)有混凝土表面脫落現(xiàn)象,有待長(zhǎng)期觀察。

我國(guó)現(xiàn)代水利工程起步較晚,吸取了國(guó)外堿骨料反應(yīng)毀壞和重建的教訓(xùn),從20世紀(jì)50年代以來采用摻大量混合材的水泥以及在現(xiàn)場(chǎng)摻活性摻合料等措施,如大量生產(chǎn)使用的礦渣水泥,其中礦渣含量高達(dá)60%～70%,或其摻量不宜小于20%的粉煤灰,這些措施可將混凝土的膨脹量降低75%,起到了緩解與抑制堿骨料反應(yīng)破壞作用。

2.3 有害介質(zhì)的腐蝕

空氣、水或土壤中含有不同濃度的酸、鹽和堿類侵蝕性物質(zhì),當(dāng)其滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部,發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)后,使混凝土遭受腐蝕。主要分為溶蝕性腐蝕和結(jié)晶膨脹性腐蝕。

2.3.1 溶蝕

水泥中的Ca(OH)2發(fā)生水解,在壓力水的作用下不斷流失。當(dāng)CaO被溶出達(dá)到25%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度下降36%,抗拉強(qiáng)度下降60%,溶出約33%時(shí),混凝土將變得疏松而失去強(qiáng)度。

2.3.2 酸性侵蝕

水工建筑物工作的環(huán)境中含有大量的氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽,再與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成易溶鹽類。而Cl-又會(huì)增大混凝土的孔隙率,削弱材料內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)一步侵蝕混凝土。各類水泥抗化學(xué)腐蝕性能見表1。

表1 各類水泥抗化學(xué)腐蝕性能

3 腐蝕的防止

1)合理選用水泥品種,降低鋁酸三鈣的含量,提高抗硫酸鹽腐蝕。2)降低水灰比、選用合適的骨料級(jí)配。減少水泥石中毛細(xì)孔隙的生成,并在混凝土外表面進(jìn)行涂層處理,阻止腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入。3)采用非活性骨料。減小堿骨料反應(yīng)的可能性。4)摻入摻合料、引氣劑。減少混凝土腐蝕時(shí)的體積膨脹。

4 結(jié)語(yǔ)

水工混凝土的腐蝕是一個(gè)緩慢而長(zhǎng)期的過程,各類水工建筑所處的環(huán)境各不相同,所用的骨料、水泥和礦物組成千差萬別,這些都給水工混凝土腐蝕原因的界定帶來困難。細(xì)致的調(diào)查研究分析,積極探索防止和抑制水工混凝土腐蝕的措施方法,做到未雨綢繆,更好地保障水工混凝土的耐久性和安全性。

[1] 李 毅.環(huán)境工程構(gòu)筑物的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].上海環(huán)境科學(xué),2009,28(2):90-92.

[2] 閆宏生.混凝土堿骨料反應(yīng)的成因及其預(yù)防措施[J].粉煤灰綜合利用,2008(6):46-50.

[3] 沈志名,趙羽習(xí),金偉良.環(huán)境水對(duì)水工混凝土耐久性的影響[A].第四屆混凝土結(jié)構(gòu)耐久性科技論壇[C].2005:143-151.